Введение к работе
Актуальность проблемы. Микроэлектроника относится к числу приоритетных отраслей промышленности и является важнейшим направлением научно-технического прогресса по всех развитых странах. Огромные средства вкладывают ведущие зарубежные страны в развитие электроники и перспективных технологий. США в последние годы только на развитие военной электроники ежегодно расходуют от 35 до 40 млрд. долларов. Приоритет отдастся созданию изделии микроэлектроники и соответствующих технологий. В последнее десятилетие все экономически развитые страны уверенно встали на путь тотальной компьютеризации и информатизации своих обществ. Способность разрабатывать и производить высокотехнологичные изделия микроэлектроники сегодня в значительной мере определяет уровень развития в целом, и в будущем эта тенденция будет только усиливаться. Адекватное технологически передовым странам развитие передовой технологии микроэлектроники является одной из основных составляющих успешного развития страны в 21 веке. Утрата способности участвовать в мировом процессе развития технологии микроэлектроники на правах участника этого процесса, а не потребителя готовой продукции, может привести к нежелательным экономическим и опасным последствиям, так как это неизбежно приведет страну к зависимости от внешних производителей электронной аппаратуры и негативно отразится на обороноспособности страны.
Современное состояние отечественной полупроводниковой промышленности таково, что из-за внутренних экономических трудностей, в ближайшем будущем невозможна успешная конкуренция с ведущими мировыми производителями интегральных микросхем (ИС) в области создания приборов и устройств высшей степени сложности, обеспечивающих передовой уровень техники. Поэтому автор не ставит перед собой целью полное и детальное решение столь большой и дорогой проблемы, как создание технологии субмикронных сверхбольших интегральных схем (СБИС), позволяющей на равных конкурировать с известными иностранными фирмами. Тем не менее, возникает вопрос, имеет ли наша микроэлектроника право на жизнь, особенно в условиях мировой интеграции, мирового разделения труда и жесткой конкуренции? Очевидность ответа определяется необходимостью сохранения независимости страны и достигнутых в свое время
2 приоритетов. Ясно, что элементная база для важнейших радиоэлектронных систем, имеющих оборонное и стратегическое значение, должна создаваться отечественной электроникой.
Стоимость и сложность современных полупроводниковых предприятий достаточно высока и развитие современных субмикронных технологий требуют огромных инвестиций. Эти затраты требуют объединения средств и консолидации усилий для решения сложнейших задач по созданию производств высокого технического и организационного уровня. Социальные и финансовые проблемы, а не технические, могут, в конечном счете, ограничить широкое применение передовой субмикронной технологии СБИС.
В диссертации автор использовал результаты своей многолетней деятельности в качестве технического руководителя ведущего предприятия отечественной электронной промышленности, организатора разработки и внедрения промышленных технологий ИС, руководителя и участника многих НИОКР по созданию, внедрению и производству ИС и СБИС, оборудования, материалов, систем и методов управления.
Результаты длительного творческого сотрудничества с разработчиками РЭА, технологического оборудования, систем и средств обеспечения производства, систем управления требуют создания принципов организации технологического процесса и производства технологически реализуемой и относительно дешевой СБИС с субмикронными размерами. Для обеспечения реализации этих принципов требуется системный подход, адекватный современным отечественным условиям технического развития, с рассмотрением всей совокупности воздействующих на них в той или иной мере проблем. Многолетние исследования, проведенные в НИИМЭ и заводе «Микрон» при непосредственном участии автора диссертации, и его оценки, сравнительный анализ, расчеты, экспериментальные результаты показывают возможность получения положительных результатов в развитии отечественной промышленной технологии субмикронных размеров. В то же время мы ограничимся вопросами создания приборно-тсхнологического базиса субмикронных СБИС на основе использования достижений отечественной науки и промышленности в приложении к решениям поставленной задачи при минимизации затрат на их решение. Для этого нами будут проанализирован исистематнзирован зарубежный и, прежде всего, наш накопленный научно-технический опыт решения задач в области создания базовых технологий производства ИС и управления ими.
ІЗ работах отечественных ученых и организаторов отечественной микроэлектроники Валиева К.А., Колесникова В.Г., Красникова Г.Я., Дьякова 10.II., Назарьяна Л.Р., Орликовского Л.А., Самсонова И.С, Дшхуняна В.Л., и др. вопросам развития отечественной микроэлектроники и технологии производства интегральных микросхем уделено большое внимание. Из этих работ следует вывод - решение научно-технических задач создания и внедрения субмикронной технологии и организации производства высоконадежных СБИС в отечественных условиях является актуальной проблемой, имеющей большое значение для отечественной промышленности. Этот вывод определил направление научных исследований диссертационной работы. Настоящая диссертация посвящена развитию научных основ промышленной технологии производства сверхбольших интегральных схем (СБИС) с субмикроннымн размерами, построению и обоснованию комплексной многоуровневой системы, включающей в себя технологические процессы, оборудование, условия производства, методы и средства моделирования, проектирования, диагностики и контроля, управление и персонал, функцией, состояния которой является эффективность затрат. Данная система в этой конфигурации позволяет гарантированно создавать, внедрять и производить функционально законченные серии СБИС, удовлетворяющие требования потребителей. Диссертация обобщает и систематизирует функционально полную совокупность решений, внедрение которых обеспечило создание, освоение и производство широкой номенклатуры ИС и внесло значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса отечественной промышленности. Цель диссертации — развитие научных основ промышленной технологии производства интегральных микросхем на принципах организации технологического процесса и производства технологически реализуемой и относительно недорогой СБИС с субмикронными размерами; создание нового технологического базиса с соответствующей инфраструктурой для производства сверхбольших интегральных схем с субмикронными размерами для широкого спектра применения.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие научно-технические задачи:
выявить особенности перехода от технологий малого и среднего уровней интеграции к технологии СБИС субмикронного уровня и разработать методологию перехода к промышленной технологии их производства;
4 развить научные основы промышленной технологии как комплексной системы, построить и обосновать модель промышленной субмикронной технологии СБИС.
разработать научно-технические и организационно-экономические основы создания высокоэффективного промышленного производства СБИС на базе субмикронной технологии с использованием современных систем комплексного управления качеством; обосновать и разработать с использованием методов математического моделирования и экспериментального исследования тестовых структур оптимальные варианты типовых технологических маршрутов производства СБИС различного функционального назначения с субмикронными размерами;
разработать критерии выбора технологического оборудования; разработать систему мониторинга и управления привносимой дефектностью и процессе производства;
предложить и обосновать систему межоперационного и аттестационного контроля в процессе производства СБИС с проектными нормами уровня 0,5 - 0,35 мкм;
предложить и реализовать новые эффективные методы неразрушающего контроля электрофизических параметров полупроводниковых пластин и линейных размеров элементов ИС в субмикронном диапазоне; обосновать необходимость, определить основные требования и внедрить систему экологического обеспечения субмикронной технологии и условия ее реализации.
Научная новизна работы. В итоге выполненных работ получен ряд новых результатов, направленных на решение сложной и актуальной проблемы создания промышленной субмикронной технологии СБИС. В результате разработки и развития научных основ промышленной субмикронной технологии СБИС решены следующие задачи:
а) предложена многоуровневая модель промышленной
субмикронной технологии СБИС как системы, включающей в себя
комплекс технологических операций, оборудование, условия производства,
методы и средства моделирования, проектирования, диагностики и
контроля, управление и персонал, функцией состояния которой является
эффективность затрат;
б) предложена концепция организации субмикронного производства
СБИС уровня 0,5 — 0,35 мкм, совмещающая этап промышленного
5 производства предыдущего поколения с разработкой технологии последующего поколения и использующая проектно-ориентированную функционально-иерархическую структуру поддержки инвестиционной деятельности предприятия;
в) обоснована, разработана и запатентована модификация
многовариантной КМОП, БиКМОП и биполярной технологии на базе
универсального маршрута, реализуемого на одном комплекте оборудования,
не уступающая по степени интеграции и рентабельности КМОП ИС,
конкурирующая с биполярными ИС, обеспечивающая степень совмещения
структур полевых и биполярных транзисторов более 90 процентов и
возможность их интеграции с одним и двумя слоями поликремния;
г) создана и запатентована технология суперсовмещенных
биполярных ИС, позволяющая при проектной норме 1,5 мкм реализовывать
размеры эмиттера менее 0,5 мкм, а при норме 0,8 мкм —0,25 мкм
соответственно с одновременным пропорциональным уменьшением базовых
областей и всего транзистора в целом;
д) создана технология «кремний на изоляторе» с металлическим скрытым слоем, позволяющая реализовать наряду с полевыми и биполярные транзисторы;
с) разработана и внедрена методика выбора оборудования по критерию "цена-качество";
ж) разработана и внедрена система мониторинга и управления
привносимой дефектностью в процессе производства субмикронных СБИС;
з) разработаны и внедрены методы бесконтактного контроля
электрофизических параметров полупроводниковых структур на основе
поверхностной фотоэде;
и) экспериментально подтверждена возможность контроля линейных размеров элементов СБИС на основе растровой атомно-силовой микроскопии (разрешение ~10 нм) с использованием созданной линейной меры субмикронного диапазона;
к) обоснована необходимость использования экологически чистых условий на всех стадиях технологического процесса изготовления СБИС, установлены и внедрены требования к экологическому обеспечению субмикронной технологии как важнейшему критерию исключения ее самозагрязнения через окружающую среду и определены в НТД условия их реализации. Обоснована необходимость введения «экологической защиты» обрабатываемых полупроводниковых пластин СБИС, которая должна охватывать все аспекты технического и технологического обеспечения
чистоты, комплексного учета факторов, участвующих в формировании и обеспечения условий и режимов проведения технологических процессов;
л) предложена совокупность технологических, конструктивных и схемотехнических решений, которая использована для улучшения характеристик и параметров существующих отечественных БИС и СБИС, а также может быть рекомендована при создании новых перспективных СБИС с субмикронными размерами.
Практическая значимость работы состоит в следующем.
-
Использование на практике в условиях реального производства комплекса теоретических и экспериментальных исследований (28 НИР и 103 ОКР) позволило существенно расширить номенклатуру выпускаемых микросхем, повысить их технико-экономические показатели и качество для отечественной радиоэлектронной аппаратуры различного назначения. Создано, усовершенствовано и внедрено более 40 различных вариантов биполярной и КМОП технологий, часть из которых и в настоящее время являются базовыми в производстве интегральных микросхем. На основе базовых технологий завода «Микрон» модернизировано более 100 типов микросхем и разработано с одновременным освоением производства в процессе ОКР более 50 типов ИС различной степени интеграции.
-
На основе базовых технологий выпускаются микросхемы для комплектования около 30 различных систем и комплексов промышленного и оборонного значения, наиболее крупные из которых - ЕС ЭВМ «Ряд» , «Ряд М», МВК «Эльбрус 2», С 300, СМ ЭВМ, «Буран», «Тополь», С 400, «Совершенствование 88», «Печора», «Морской старт» и др.
-
Разработанные комплекты технологической документации переданы на 34 завода, в т.ч. зарубежные, где было организовано производство интегральных микросхем, в большинстве, при участии автора. Используя базовые технологии, на этих заводах была организована разработка новой номенклатуры интегральных микросхем в расширение уже существующих серий, а в некоторых случаях создавались новые серии микросхем. По биполярной технологии организован выпуск более 70 серий ИС, по КМОП - 17 серий.
-
Создано современное, не имеющее отечественных аналогов производство СБИС уровня (1,2 — 0,8) мкм с высокими технико-экономическими показателями, близкими к уровню ведущих зарубежных фирм. В производство специально закладывается технологический резерв, т.е. этап промышленного производства СБИС предыдущего поколения содержит в себе элементы и возможности поколения уровня (0,5 — 0,35)
7 мкм. Расширение возможностей производства СБИС обоснована и поддерживается соответствующими инвестиционными проектами.
5.Универсальный многовариантный технологический маршрут, технологические, конструктивные и схемотехнические решения реализуются при разработке и производстве цифровых и аналого-цифровых БИС и СБИС широкой номенклатуры, создании КМОП, биполярных и БиКМОП приборно-технологических базисов и соответствующего гибкого субмикронного производства и могут быть рекомендованы при создании перспективных типов СБИС и организации их производства.
6.Разработаны и внедрены общие требования к технологическому оборудованию для производства субмикронных СБИС и методика выбора оборудования по критерию "цена-качество".
7.Разработана и внедрена система управления технологическим процессом производства субмикронных СБИС на основе мониторинга, управления привносимой дефектностью и статистических методов регулирования параметров.
8.Существенно повышена эффективность и точность контроля и измерения электрофизических параметров и линейных размеров полупроводниковых пластин и элементов СБИС (с точностью не хуже 10 им) за счет использования ряда новых бесконтактных методов на основе поверхностной фотоэде и атомно-силовой микроскопии (АСМ).
9.Разработана и внедрена система экологического обеспечения субмикронного производства.
Ю.Теоретические и практические результаты работы использованы при создании государственных программ «Развития электронной техники в России», «Субмикрон 95», «Национальная технологическая база».
Достоверность результатов. Достоверность теоретических и экспериментальных результатов, разработанных моделей, подтверждается проверками на адекпатность по экспериментальным данным, метрологической поверкой, сравнениями с зарубежными литературными данными, выступлениями и обсуждениями на конференциях и семинарах, ссылками и отзывами в зарубежной и отечественной печати.
Экспериментальные исследования проводились на современном отечественном и зарубежном оборудовании, специально разработанных стендах. Достоверность разработанных методик технологических процессов и установок подтверждается положительными технологическими испытаниями, экспериментальными образцами, а так же проверкой на
достоверность в порядке экспертизы заявок на изобретения. Разработанные инвестиционные проекты прошли необходимую экспертизу соответствующих министерств и ведомств.
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы в более 20 НИР и 60 ОКР, комплексных целевых научно-технических и федеральных программах "Субмикрон 95", "Развитие электронной техники в России", "Национальная технологическая база" и
ДР-
Научно-методические аспекты разработки промышленной субмикронной технологиии элементного юбазиса современных СБИС, изложенные в диссертации, используются в учебном процессе МГИЭТ (ТУ) и МГИЭМ (ТУ).
Основные положения, выносимые на защиту.
1.Модель промышленной субмикронной технологии как системы, включающей в себя комплекс технологических операций, оборудование, условия производства, комплекс методов и средств моделирования, проектирования, диагностики и контроля, управление и персонал. Функцией ее состояния является эффективность затрат.
2.Модель организации субмикронного производства СБИС уровня 0,5 — 0,35 мкм, совмещающая этап промышленного освоения предыдущего поколения с разработкой технологии последующего поколения. Возможность этого обеспечивается специально закладываемым резервом технологического уровня созданного производства.
3.Многовариантная, гибкая КМОП, биполярная и БиКМОП технология:
на базе универсального маршрута, реализуемого на одном
комплекте оборудования, не уступающая по степени интеграции и
рентабельности КМОП ИС, конкурирующая с биполярными ИС,
обеспечивающая степень совмещения структур полевых и
биполярных транзисторов более 90 процентов и возможность их
интеграции с 1-м и 2-я слоями поликремпия;
технология суперсовмещенных биполярных ИС, позволяющая при проектной норме 1,5 мкм реализовывать размеры эмиттера менее 0,5 мкм, а при норме 0,8 мкм —0,25 мкм соответственно с одновременным пропорциональным уменьшением базовых областей и всего транзистора в целом;
технология «кремний на изоляторе» с металлическим скрытым слоем, позволяющая реализовать наряду с полевыми, и биполярные транзисторы.
4.Система управления технологическим процессом производства субмикронных СБИС на основе мониторинга, и управления привносимой дефектностью и статистических методов регулирования параметров.
S.Бесконтактные методы контроля комплекса электрофизических параметров полупроводниковых пластин и лпнсіінілх размеров элементов СБИС на основе поверхностной фотоэде и атомно-силовой микроскопии, в т.ч.:
методы аттестации и результаты испытаний универсальной линейной меры (УЛМ) для линейных измерений на растровом электронном микроскопе (РЭМ) и атомно-силовом микроскопе (АСМ) в субмикронном диапазоне (0,1 — 1,0) мкм;
результаты испытаний опытных образцов УЛМ в экспериментах по калибровке (определение основных характеристик) РЭМ и АСМ;
результаты оценки возможностей использования АСМ для мониторинга технологических процессов производства СБИС.
б.Создание высокоэффективной системы экологической защиты в
системе «обрабатываемое изделие — оператор — технологическая
среда — предприятие —окружающая среда».
7.Совокупность предложенных в работе технологических, конструктивных, схемотехнических и организационных решений реализованна при разработке и производстве цифровых и аналого-цифровых БИС и СБИС широкой номенклатуры, создании КМОП, биполярных и БиКМОП приборно-технологических базисов и соответствующего субмикронного производства.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзных, Российских и Международных научно-технических конференциях и совещаниях: X Всесоюзная научно-техническая конференция по микроэлектронике, г. Таганрог 1982 г.; IV научно-техническая конференция "Опыт применения изделий микроэлектроники в современной аппаратуре", г. Москва 1982 г.; II Всесоюзная конференция по САПР, г. Одесса, 1984 г.; XVI научно-техническая конференция ЦКБ "Алмаз", г. Москва 1985 г.; Научно-техническая конференция "Опыт и перспективы развития ГПС в приборостроении и микроэлектронике", г. Москва 1986 г.; VI научно-техническая конференция по надежности "Обмен опытом и определение основных направлений по дальнейшему повышению надежности РЭА", г. Москва 1986 r.;IV ежегодный Европейский форум
10 Микроэлектроники, г. Мюнхен, ФРГ, 1994; II Международная научно-техническая конференция «Микроэлектроника и информатика», г. Москва
-
г.; III Ежегодный форум руководителей электронной индустрии, East/ West Electronics, г. Москва, 1995 г.; III Российская научно-техническая конференция "Микроэлектроника", г. Москва, Звенигород 1996 г.; XXV Международная школа "Физика полупроводниковых компонентов", г. Варшава, Польша 1996 г.; IV Ежегодный форум руководителей электронной индустрии, East/West Electronics, г. Москва, 1996 г.; Конференция по микроэлектронике. Московский институт электронной техники, г. Москва,
-
г.; семинар фирмы "Dexter" на международной выставке "Электроника '96", г. Мюнхен, ФРГ 1996 г.; Международная выставка "Semicon Europe '97", г. Женева, Швейцария, 1997 г.; Пятый ежегодный форум руководителей электронной индустрии, East/West Electronics, г. Москва, 1997 г.; I научно-техническая конференция АООТ "НИИМЭ и Микрон", г. Москва, 1998 г.; Шестой ежегодный форум руководителей электронной индустрии, East/ West Electronics, г. Москва, 1998 г.; II научно-техническая конференция АООТ "НИИМЭ и Микрон", г. Москва, 1999г.; IV Всероссийская научно-техническая конференция "Микро- и наноэлектроника", г. Москва, Звенигород 1999 г.; 1999 SEMI CIS Executive Mission and Exibit, May 17-19, 1999, Zelenograd-Moscow, Pussia; XI Российский симпозиум по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел РЭМ'99, июнь 1999 г., Черноголовка.; Международная конференция «Интеллектуальные многопроцессорные системы», 1-5 сентября 1999 г., Таганрог; V международный симпозиум по управлению проектами «Управление проектами: восток-запад — грань тысячелетий» СОВНЕТ'99, Москва, 1999 г.; III научно-техническая конференция АООТ "НИИМЭ и Микрон", г. Москва, март 2000г.
Публикация работы. Основные положения диссертации и результаты изложены в 269 работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 279 страниц основного текста, 249 рисунков, 65 таблиц к основному тексту.
